除草剂的研究与开发
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独特，更重要的是易降解或与环境有很好 的相容性。
• 缺点：结构复杂，不易合成，成本太高，
实用价值不高；大多数对光不稳定，或极 易挥发，通常不能直接作为农药使用。但 可作先导化合物。
举例
以天然产物为先导化合物开发的除 草剂有来自植物内源激素的植物生长 调节剂如2,4-滴、乙烯利、萘乙酸。
其它的还有草铵膦、苯草酮、环庚 草醚、磺草酮等。
质体醌还是影响八氢番茄红素去饱和酶催化的关 键辅助因子.
HPPD抑制剂
S O O NO2
O
SO2CH3 O O
Cl
O Cl O O CH3
N
SO2CH3
N OH
SO2CH3
CH3
三酮类除草剂
O O R1
O SO2CH3
NO
R2
H
N O
Cl
O O Cl
O SO2CH3
O
SO2CH3
N O
CF3
光合作用抑制剂
• 举例：
草甘膦
５－烯醇丙酮酸莽草酸－３－磷酸（5-enolpyrnvyl shikimate-3phosphate EPSP）合成酶抑制剂
莽草酸代谢途径
• 莽草酸途径的意义：
在植物中合成苯丙氨酸、酪氨酸、色氮酸。并 由这些氨基酸的衍生次级产物包括生长素,植物抗 毒素、生氰糖苷、维生素叶酸、木质素和质体醌 的前体，合成类胡萝卜素的原料和上百种类黄酮、 苯酚和生物碱等。
对羟基苯基丙酮酸双氧化酶(4-hydroxy phenylpyruvate dioxygenase, HPPD) 一种铁- 酪氨酸蛋白 ， 在植物体内可将对羟基丙 酮酸(4-hydroxyphenylpyruvate, HPP) 催化转 化为尿黑酸(2,5-dihydroxy phenylacetate, HGA)，进而转化为光合作用中电子传递所需要的 质体醌和生育酚。
• PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）催化反应大致 过程：
• １，磷酸烯醇式丙酮Ｃ２亲核攻击莽草酸－ ３－磷酸（Ｓ３Ｐ）的５－ＯＨ，形成四面 体中间体；
• ２，中间体可重新结合于酶； • ３，催化ＥＰＳＰ的形成。
EPSP合成酶抑制剂
• EPSP合成酶的抑制剂为该酶的代谢类似物， 如磷酸烯醇式丙酮酸 （PEP）类似物、莽 草酸三磷酸（S3P）类似物、５－烯醇丙酮 酸莽草酸－３－磷酸（EPSP）类似物、芳 香基类似物、四面体中间体类似物、丙二 酸酯等排物和草甘膦类似物。
随机合成，随机筛选
• 早期创制模型
• 化学合成大量化合物，进行除草活性筛选
• 举例：
• 2,4-D ,有机磷，氨基甲酸酯等
• 问题：
• 耗时，耗工，耗资源，耗经费
已有活性结构的修饰与改造
• 二元拼接
二种活性化合物通过化学合成途径合成活性更大的化合物
• 举例：
苯氧乙酸Leabharlann Baidu有机磷拼接为新的化合物
• 类推合成(Analogue Synthesis)
专题讲座
除草剂的研究与开发
主要内容
• 引言 • 研发的模型 • 化感作用 • 我们的工作
引言
1杂草带来的危害
(１)农作物的影响 (２)生态危害
2除草剂的作用
(１)保障农作物高产稳产 (２)保障生态安全
3化学除草剂的问题
(1)环境污染 (2)残留 (3)药害
4 创制除草剂的主要途径 （1）生物源除草剂 （2）化学除草剂 5重要入侵杂草的简介
2,4-滴
3-吲哚乙酸
2,4-D R = H,
草铵膦
双丙氨酰膦
H N
HO OAc
Anisomycin
OCH3
CH3 O
CH3 OCH3
苯草酮(methoxyphenone)
• cantharidin
H3C O
H3C
O OH OH
O
茵多杀(endothal)
O OH
O OH
O
CH3 O
H3C
对已经开发的活性先导化合物进行模拟合成,开发出新 的农药品种或发现新的二次先导化合物,这样合成出来的 化合物就是”模仿分子”(me-too molecules)
• 举例： • 1脲类除草剂的类推合成 • 2磺酰脲类除草剂的类推合成
生物合理设计Biorational Design
• 定义：
以靶标生物体生命过程中某个关键的生理生化作 用机制作为研究模型,人为地设计合成干扰此作用 的的化合物,从中筛选出先导化合物,然后进行结构 优化开发.
OCH3
NN CN
HN N N H
Cl
NN CN
CH3
1,4-cineole
CH3 O
O
H3C
CH3
CH3
环庚草醚 (cinmethylin)
Cl
H3C
O
H3C
CH3
OH
cyperine
HO2C
Cl O
NO2
CF3
三氟羧草醚
OO
O
O
lepotospermone
O O NO2
O
136
CF3 O O Cl
O
SO2CH3
磺草酮 (sulcotrione)
磺草酮为先导合成硝草酮(mesotrione)、双环磺 草酮（benzobicylon）等。
在磺草酮的基础上还开发了5-羟基吡唑酮类如 NC-324、BAS-670H以及异恶唑类如异恶唑草酮 （isoxaflutole）和异恶氯isoxachlorotole）等。
这些化合物为 HPPD抑制剂
HPPD
酶抑制剂及活性
• 以上的抑制剂，只有草甘膦开发为除草剂， 其它的仅为抑制剂。
天然产物模型
• 定义:
从天然存在的化合物中获得具有生物活性的先 导化合物,然后进行类推合成开发新型的除草剂品
种,为天然产物模型.
如从活体病原菌筛选出具有对某一杂草具有防 除作用而开发出的除草剂为微生物除草剂.
• 优点：种类繁多，生物活性多样，且作用
商品化除草剂品种:
1,双丙氨膦,
链霉菌Streptomyces viridochromogenes 的产物 ;
2,三氟羧草醚,氯氟草醚 莎草中的莎草茵，开发出了10多个以原卟
啉原氧化酶为作用靶标的二苯醚类除草剂 品种.
3,磺草酮、甲基磺草酮和双环磺草酮
红千层(Callistemon spp.)植株中分离出 了一种具有除草活性的纤精酮，以它作为 先导化合物，进行结构改造的除草剂.
带来生态灾难的入侵杂草
• 紫茎泽兰 • 微甘菊 • 金钟藤 • 一枝黄花 • 空心莲子草 • 五爪金龙 • 水浮莲
紫茎泽兰
微甘菊
金钟藤
一枝黄花
空心莲子草
五爪金龙
水浮莲
研究与开发的模型
• 1随机合成，随机筛选 • 2已有活性结构的修饰与改造 • 3生物合理设计 • 4天然产物模型
(１)活体微生物的筛选 (２)化感作用
• 缺点：结构复杂，不易合成，成本太高，
实用价值不高；大多数对光不稳定，或极 易挥发，通常不能直接作为农药使用。但 可作先导化合物。
举例
以天然产物为先导化合物开发的除 草剂有来自植物内源激素的植物生长 调节剂如2,4-滴、乙烯利、萘乙酸。
其它的还有草铵膦、苯草酮、环庚 草醚、磺草酮等。
质体醌还是影响八氢番茄红素去饱和酶催化的关 键辅助因子.
HPPD抑制剂
S O O NO2
O
SO2CH3 O O
Cl
O Cl O O CH3
N
SO2CH3
N OH
SO2CH3
CH3
三酮类除草剂
O O R1
O SO2CH3
NO
R2
H
N O
Cl
O O Cl
O SO2CH3
O
SO2CH3
N O
CF3
光合作用抑制剂
• 举例：
草甘膦
５－烯醇丙酮酸莽草酸－３－磷酸（5-enolpyrnvyl shikimate-3phosphate EPSP）合成酶抑制剂
莽草酸代谢途径
• 莽草酸途径的意义：
在植物中合成苯丙氨酸、酪氨酸、色氮酸。并 由这些氨基酸的衍生次级产物包括生长素,植物抗 毒素、生氰糖苷、维生素叶酸、木质素和质体醌 的前体，合成类胡萝卜素的原料和上百种类黄酮、 苯酚和生物碱等。
对羟基苯基丙酮酸双氧化酶(4-hydroxy phenylpyruvate dioxygenase, HPPD) 一种铁- 酪氨酸蛋白 ， 在植物体内可将对羟基丙 酮酸(4-hydroxyphenylpyruvate, HPP) 催化转 化为尿黑酸(2,5-dihydroxy phenylacetate, HGA)，进而转化为光合作用中电子传递所需要的 质体醌和生育酚。
• PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）催化反应大致 过程：
• １，磷酸烯醇式丙酮Ｃ２亲核攻击莽草酸－ ３－磷酸（Ｓ３Ｐ）的５－ＯＨ，形成四面 体中间体；
• ２，中间体可重新结合于酶； • ３，催化ＥＰＳＰ的形成。
EPSP合成酶抑制剂
• EPSP合成酶的抑制剂为该酶的代谢类似物， 如磷酸烯醇式丙酮酸 （PEP）类似物、莽 草酸三磷酸（S3P）类似物、５－烯醇丙酮 酸莽草酸－３－磷酸（EPSP）类似物、芳 香基类似物、四面体中间体类似物、丙二 酸酯等排物和草甘膦类似物。
随机合成，随机筛选
• 早期创制模型
• 化学合成大量化合物，进行除草活性筛选
• 举例：
• 2,4-D ,有机磷，氨基甲酸酯等
• 问题：
• 耗时，耗工，耗资源，耗经费
已有活性结构的修饰与改造
• 二元拼接
二种活性化合物通过化学合成途径合成活性更大的化合物
• 举例：
苯氧乙酸Leabharlann Baidu有机磷拼接为新的化合物
• 类推合成(Analogue Synthesis)
专题讲座
除草剂的研究与开发
主要内容
• 引言 • 研发的模型 • 化感作用 • 我们的工作
引言
1杂草带来的危害
(１)农作物的影响 (２)生态危害
2除草剂的作用
(１)保障农作物高产稳产 (２)保障生态安全
3化学除草剂的问题
(1)环境污染 (2)残留 (3)药害
4 创制除草剂的主要途径 （1）生物源除草剂 （2）化学除草剂 5重要入侵杂草的简介
2,4-滴
3-吲哚乙酸
2,4-D R = H,
草铵膦
双丙氨酰膦
H N
HO OAc
Anisomycin
OCH3
CH3 O
CH3 OCH3
苯草酮(methoxyphenone)
• cantharidin
H3C O
H3C
O OH OH
O
茵多杀(endothal)
O OH
O OH
O
CH3 O
H3C
对已经开发的活性先导化合物进行模拟合成,开发出新 的农药品种或发现新的二次先导化合物,这样合成出来的 化合物就是”模仿分子”(me-too molecules)
• 举例： • 1脲类除草剂的类推合成 • 2磺酰脲类除草剂的类推合成
生物合理设计Biorational Design
• 定义：
以靶标生物体生命过程中某个关键的生理生化作 用机制作为研究模型,人为地设计合成干扰此作用 的的化合物,从中筛选出先导化合物,然后进行结构 优化开发.
OCH3
NN CN
HN N N H
Cl
NN CN
CH3
1,4-cineole
CH3 O
O
H3C
CH3
CH3
环庚草醚 (cinmethylin)
Cl
H3C
O
H3C
CH3
OH
cyperine
HO2C
Cl O
NO2
CF3
三氟羧草醚
OO
O
O
lepotospermone
O O NO2
O
136
CF3 O O Cl
O
SO2CH3
磺草酮 (sulcotrione)
磺草酮为先导合成硝草酮(mesotrione)、双环磺 草酮（benzobicylon）等。
在磺草酮的基础上还开发了5-羟基吡唑酮类如 NC-324、BAS-670H以及异恶唑类如异恶唑草酮 （isoxaflutole）和异恶氯isoxachlorotole）等。
这些化合物为 HPPD抑制剂
HPPD
酶抑制剂及活性
• 以上的抑制剂，只有草甘膦开发为除草剂， 其它的仅为抑制剂。
天然产物模型
• 定义:
从天然存在的化合物中获得具有生物活性的先 导化合物,然后进行类推合成开发新型的除草剂品
种,为天然产物模型.
如从活体病原菌筛选出具有对某一杂草具有防 除作用而开发出的除草剂为微生物除草剂.
• 优点：种类繁多，生物活性多样，且作用
商品化除草剂品种:
1,双丙氨膦,
链霉菌Streptomyces viridochromogenes 的产物 ;
2,三氟羧草醚,氯氟草醚 莎草中的莎草茵，开发出了10多个以原卟
啉原氧化酶为作用靶标的二苯醚类除草剂 品种.
3,磺草酮、甲基磺草酮和双环磺草酮
红千层(Callistemon spp.)植株中分离出 了一种具有除草活性的纤精酮，以它作为 先导化合物，进行结构改造的除草剂.
带来生态灾难的入侵杂草
• 紫茎泽兰 • 微甘菊 • 金钟藤 • 一枝黄花 • 空心莲子草 • 五爪金龙 • 水浮莲
紫茎泽兰
微甘菊
金钟藤
一枝黄花
空心莲子草
五爪金龙
水浮莲
研究与开发的模型
• 1随机合成，随机筛选 • 2已有活性结构的修饰与改造 • 3生物合理设计 • 4天然产物模型
(１)活体微生物的筛选 (２)化感作用